将一切束缚在一起的能量

在关于能量和质量以及相关概念的文章中，我重点介绍了粒子-场干扰-以及爱因斯坦将其能量，动量和质量联系起来的方程。 但是能量在其他地方产生，不仅是由于粒子。 为了真正地了解宇宙及其运作方式，有必要了解能量可能由于各种场的相互作用甚至与场本身的相互作用而出现。 我们这种世界的整个结构-质子，原子，分子，物体，山脉，行星，恒星，星系-是这种能量的存在的结果。 实际上，我们谈论的许多类型的能量似乎彼此不同，例如化学能，核能，电磁能，它们要么是相互作用能的一种形式，要么以某种方式与之相关。

当学生开始学习物理时，这种能量包括教师所谓的“势能”。 但是，由于英语（和俄语）中的“潜在”一词与物理学中的含义不同，并且由于该概念的表达方式与现代物理观点大不相同，因此我更愿意为该能量使用另一个名称-这样她就不会接触读者对与错的看法。

另外，在一篇有关质量和能量的文章中，我将交互作用的能量称为“关系的能量”。 在下面可以清楚地看到原因-但我认为这是个坏主意，因此改用另一种命名约定。

序言：概念修订

从目前的角度来看，全世界都由物理学家选择并经过实验验证。 风场最直观的例子是风：

•可以在任何地方进行测量，
•可以为零或非零，
•波浪（我们称为声音）可以通过。

波可以在大多数场中形成，而且由于量子力学的原因，这些波的高度不能任意小。

最小高度的波-最小振幅和最小功率-被称为“量子”，或者通常被称为“粒子”，但是，后一种选择有时会引起混乱。

光子是量子或光的粒子（此处的“光”是指光谱的可见部分和其他变化）。 这是可能产生的最暗的光突发，是可在电场和磁场中产生的最弱的波。 您可以创建两个光子，三个或六个。 您不能创建一个光子的三分之一或两个半。 您的眼睛被设计为一次吸收一个光子。

这同样适用于电子，μ子，夸克，W粒子，希格斯粒子以及其他所有事物。 这些都是他们领域的量子。

在这种情况下，尽管量子将是对场的扰动，但它的行为类似于粒子：

•在空的空间中移动时保持完整性。
•尽管取决于观察者，但它具有一定的能量和动量。
•它具有一定的质量，独立于观察者。
•可能整体上被辐射或吸收。

让我提醒您，在粒子物理学中，习惯上按质量理解以前称为“静止质量”的东西，对于该方程，仅当粒子静止时才满足方程E = mc ² 。 对于运动的粒子，E> mc ² ，因为其质量的能量为mc ² ，运动的能量始终为正。 阅读本文时应牢记此定义。

相互作用场的能量

现在让我们转向最难以捉摸的能量形式。 粒子能量由质量能和运动能组成。 请记住，粒子是对场的扰动，即定义明确的波。


图 1：一个场（蓝波）的量子的存在如何在第二场（绿）中产生扰动，在扰动周围达到最大强度并在移动时减小到零的示意图。

但是这些领域能够做很多事情，不仅会产生干扰。 例如，一个场中的干扰会导致另一场中的非波变化。 在图。 1我画了这样一个案例-一个场的蓝色量子波和另一场的响应。

假设我们有两个粒子-让它成为两个不同场的扰动。 在图。 2我用蓝色和橙色波浪标记了它们。 这两个字段都与绿色字段相互作用。 然后，改变绿色领域将变得更加困难。 这是草图，不是对难以描述的东西的准确反映，但他给出了一个想法。

这个由两个粒子组成的系统的能量是多少？两个不同场的两个扰动，以及第三个场与它们两个相互作用？

扰动是量子或粒子。 它们具有运动的质量和能量，并且这两个量都是正的。


图 2

改变绿色领域也具有某种活力。 这也是积极的，尽管与粒子能量相比通常很小。 通常称为场能。

但是在各个领域的关系中，存在着额外的能量。 能量是蓝色和绿色场强的地方，也是橙色和绿色场强的地方。 这就是奇怪。 如果我们比较图。 图1。 2，在蓝色和绿色场强的地方都会有能量。 但是，在附近的橙色场中出现干扰会改变绿色场，从而改变蓝色场所在区域的能量，如图2所示。 3。


图 3

取决于橙色和绿色场如何相互作用以及蓝色和绿色场如何相互作用，能量的变化可以是正的或负的。 我将这种变化称为互动的能量。

最重要的事实是，由于橙色干扰的存在，蓝色和绿色场的相互作用能发生负向变化（反之亦然）是最重要的事实，因为从原子核到人体，宇宙中的所有结构都可能存在和星系。 这是下面描述的内容。

地球和月亮

显然，地球不是粒子。 这是大量的粒子，各个领域的干扰。 但是以上所有这些都适用于许多微扰，而不仅仅是一种，它们都与引力场相互作用。

独自想象地球。 她的存在在引力场中造成干扰（从爱因斯坦的角度来看，这是对局部空间和时间的扭曲，但这对我们而言并不重要）。 现在我们将月亮放在附近。 它也扭曲了引力场。 由于月亮的存在，地球周围的引力场也在发生变化。 引力如何与构成地球的粒子和场相互作用的细节确保了引力场与地球之间相互作用的负能量是由于月球的影响而出现的。 反之亦然。

这就是为什么月球和地球无法飞散而无法被困住的原因，就像它们被一条巨大的电缆连接一样紧密地绑在一起。 如果月球离地球很远，那么系统的相互作用能-地球，月球和引力场-将为零，而不是负。 但是必须节约能源。 因此，要使月球与当前位置相比离地球更远，有必要在某处获取大量正能量-以便将负相互作用能量增加到零。 月亮和地球由于在轨道上运动而具有正的运动能量，但是它们的散射还不够。


图 4：绝对类似于图。 3

除了使另一个行星与月球相撞以外，没有办法无意或有意地从附近的来源获得如此巨大的能量。 人类积累的所有武器的力量还远远不够。 因此，月亮不可能突然离开地球-它在这里存在了很长一段时间，直到发生一些令人印象深刻的灾难，使它脱离了轨道。

您可能知道，两个行星大小的物体（大的原生地球和火星大小的物体）碰撞的理论被认为是最流行的地球和月球形成理论。 这个理论解释了与月亮有关的许多复杂的奥秘。 在太阳系黎明时，肯定发生了行星尺度的高能碰撞，因为太阳和行星的形成已超过40亿年前！ 但是这种冲突已经很久没有出现了。

相同的逻辑解释了为什么人造地球卫星仍留在轨道上，为什么地球附着在太阳上，而太阳附着在银河系上，这个城市生活着一万亿颗恒星。

氢原子

除非能量来自外部改变状态，否则构成氢原子的电子和质子在较小的范围内且后果不太明显。 在这种情况下，主要工作由电场承担。 在电子的存在下，电场与质子之间的相互作用能为负（反之亦然）。 结果，在您从电子和质子形成氢原子后（等待了几分之一秒，直到它们稳定下来成为理想的构型，即基态），将它们分离所需的能量约为14 eV。 我们称其为氢结合能。


图 5（ 不成比例！电子和质子小得多）。 在氢原子内部，电子扰动以云的形式在质子周围传播。 包括质子，电子和电子场在内的相互作用能为-28 eV，它被部分补偿（主要是由于电子的运动能），结合能为-14 eV。

我们可以通过用紫外线照射氢原子（能量太大而无法被眼睛看到的光子），以及观察为了分解氢原子而必须有多大的光子能量，来测量结合能。 我们还可以使用量子力学方程式来计算它-并且对该量的成功预测是现代量子物理学理论最简单的检验之一。

但是，现在我想回到我在有关质量和能量的文章中提到的内容，再回到爱因斯坦通过研究方程式的结果而获得的关键思想之一。 如果您有一个对象系统，那么系统的质量将不等于其中包含的对象的质量之和。 它甚至不正比于其中所含粒子的能量之和。 从观察者相对于该系统静止的角度来看，它等于系统的总能量除以c ² 。 （对于移动的观察者，系统还将具有不增加系统质量的运动能量）。 总能量包括：

•粒子质量的能量（场波动），
•粒子运动能量，
•由非波干扰产生的其他场能来源，
•场相互作用能。

从破坏氢原子需要14 eV的事实中学到了什么？ 好了，破坏了这个系统后，您会发现自己手中有一个质子和一个电子，彼此相距很远，并且移动速度不是特别快。 届时，系统的能量将为：

•粒子质量能=电子质量能+质子质量能= 510999 eV + 938272013 eV
•粒子能量= 0
•非波干扰产生的其他场能源= 0
•场相互作用能= 0

但是我们知道，在此之前，氢原子系统的能量要低14 eV。

电子质量能始终为510 999 eV，质子为938 272 013 eV，无论它们做什么。 因此，氢质量的能量对总能量的贡献与稀释到侧面的电子和质子的贡献相同。 应该获得以下内容：

•氢内部粒子的运动能量，
•加上来自非波干扰（极小）的其他场能量源，
•加上场相互作用能，
•结合能-14 eV应该相等。

如果执行所有计算，则数字如下所示：

•粒子能量= +14 eV，
•来自非波扰动的其他场能量来源=极小，
•场相互作用能= -28 eV，

所有这些的总和等于-14 eV。

相互作用能量等于-2 *运动能量的事实，没有发生意外。 粗略地说，这是根据电场的平方反比定律得出的。 具体来说，这是从病毒定理得出的 。

那么，氢原子的质量是多少？

电子质量+质子质量+结合能/ c ²

而且由于模量大且相互作用能为负，因此结合能为负，因此

$$

$$m_ {氢} <m_ {质子} + m_ {电子}$$

这是宇宙最重要的事实之一！

氢原子为什么不衰变

现在，我将告诉您同一件事，但是用稍微不同的语言，即粒子物理学的语言。

氢是稳定的复合物，由质子和电子组成，通过与电场的相互作用而连接。

为什么稳定？

任何不稳定的物体都会腐烂。 仅当主要对象衰减到其中的粒子的质量之和小于初始对象的质量时，才可能发生衰减。 这遵循能量和动量守恒定律 。

氢原子能分解成的最小物质是质子和电子。 但是氢原子的质量小于电子和质子质量之和（由于负14 eV的结合能）。 同样，这很重要：

$$

$$m_ {氢} <m_ {质子} + m_ {电子}$$

但是氢不能分解成其他任何东西，因此氢根本不能分解。

所有这些工作一直持续到质子衰变为止（如果可能发生的话），这种情况极其罕见-我们从未见过这样的事件。 我们已经确定这是一种罕见的事件，在您的生活中不会有一个质子在您的体内腐烂。 因此，我们将放弃这个机会。

其余原子也是如此。 原子是稳定的，因为电子和原子核的相互作用能为负。 原子的质量小于其各个组成部分的质量之和，因此原子不能分解为电子和原子核。

一个陷阱：由于核衰变，原子可以以不同的方式分裂。 而且如果质子不能衰变（或极少发生），那么对于大多数原子核来说，情况已经完全不同了。

这把我们带到了重要的问题上。

•为什么本身不稳定的中子在原子核中稳定？
•为什么有些原子核稳定而有些不稳定？
•尽管质子比夸克重，为什么质子仍然稳定？